第4章 集成运算放大电路.ppt

《第4章 集成运算放大电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章 集成运算放大电路.ppt（89页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第4 4章章 集成运算放大电路集成运算放大电路4.1 4.1 直接耦合放大电路及问题直接耦合放大电路及问题4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用4.5 4.5 实训：实训：集成运算放大器应用集成运算放大器应用MultisimMultisim仿真仿真测试测试直接耦合放大电路的前后级之间没有耦合电容，级与级之间直直接耦合放大电路的前后级之间没有耦合电容，级与级之间直接用导线连接，因此，直接耦合放大电路既可以放大交流信号，又接用导线连接，因此，直接耦合放大电路既可以放大交流信号，又可以放大

2、直流和变化缓慢的信号；直接耦合放大电路便于大规模集可以放大直流和变化缓慢的信号；直接耦合放大电路便于大规模集成，所以集成电路中多采用直接耦合方式。但直接耦合放大电路也成，所以集成电路中多采用直接耦合方式。但直接耦合放大电路也存在两个问题：一个是前级、后级静态工作点相互影响的问题；另存在两个问题：一个是前级、后级静态工作点相互影响的问题；另一个是零点漂移问题。一个是零点漂移问题。4.1.1 4.1.1 前级、后级静态工作点相互影响前级、后级静态工作点相互影响前级的集电极电位恒等于后级的基极电位，前级的集电极电阻前级的集电极电位恒等于后级的基极电位，前级的集电极电阻R RC1C1同时又是后级的偏流

3、电阻，前、后级的静态工作点就互相影响，同时又是后级的偏流电阻，前、后级的静态工作点就互相影响，互相牵制。互相牵制。4.1 4.1 直接耦合放大电路及问题直接耦合放大电路及问题下一页 返回因此，在直接耦合放大电路中必须采取一定的措施，必须全面因此，在直接耦合放大电路中必须采取一定的措施，必须全面考虑各级的静态工作点的合理配置，当放大电路的级数增多时，这考虑各级的静态工作点的合理配置，当放大电路的级数增多时，这个问题显得更加复杂。常用的办法之一是提高后级的发射极电位。个问题显得更加复杂。常用的办法之一是提高后级的发射极电位。在在图图4-14-1中是利用中是利用V V2 2的发射极电阻的发射极电阻R

4、 RE2E2上的压降来提高发射极的电位。上的压降来提高发射极的电位。这一方面能提高这一方面能提高V V1 1的集电极电位，增大其输出电压的幅度，另一方的集电极电位，增大其输出电压的幅度，另一方面又能使面又能使V V2 2获得合适的工作点。在工程中还有其他方法可以实现前、获得合适的工作点。在工程中还有其他方法可以实现前、后级静态工作点的配合。后级静态工作点的配合。4.1.2 4.1.2 零点漂移问题零点漂移问题一个理想的直接耦合放大器，当输入信号为零时，输出端的电一个理想的直接耦合放大器，当输入信号为零时，输出端的电位应该保持不变。位应该保持不变。4.1 4.1 直接耦合放大电路及问题直接耦合放

5、大电路及问题下一页 返回上一页但实际上，由于温度、频率等因素的影响，直接耦合的多级放但实际上，由于温度、频率等因素的影响，直接耦合的多级放大器在输入信号为零时，输出端的电位会偏离初始设定值，产生缓大器在输入信号为零时，输出端的电位会偏离初始设定值，产生缓慢而不规则的波动，这种输出端电位的波动现象，称为零点漂移。慢而不规则的波动，这种输出端电位的波动现象，称为零点漂移。引起零点漂移的原因很多，如三极管参数（引起零点漂移的原因很多，如三极管参数（I ICBOCBO、U UBEBE、）随温度的）随温度的变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等，其中温度的影响变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化

6、等，其中温度的影响是最严重的。在多级放大电路各级的漂移当中，第一级的漂移影响是最严重的。在多级放大电路各级的漂移当中，第一级的漂移影响最为严重，因为直接耦合，第一级的漂移被逐级放大，以致影响到最为严重，因为直接耦合，第一级的漂移被逐级放大，以致影响到整个放大电路的工作。所以，抑制漂移要着重于第一级。整个放大电路的工作。所以，抑制漂移要着重于第一级。抑制零点漂移方法有很多，如采用温度补偿电路、稳压电源以抑制零点漂移方法有很多，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。但最有效且被广泛采用的方法是输入级采及精选电路元件等方法。但最有效且被广泛采用的方法是输入级采用差分放大电路。用差分放大

7、电路。4.1 4.1 直接耦合放大电路及问题直接耦合放大电路及问题返回上一页差分放大电路简称为差放，广泛应用于测量电路、医学仪器等差分放大电路简称为差放，广泛应用于测量电路、医学仪器等电子仪器中，差放也是集成运算放大器的重要单元电路。电子仪器中，差放也是集成运算放大器的重要单元电路。4.2.14.2.1差分放大电路结构及零点漂移抑制原理差分放大电路结构及零点漂移抑制原理1 1电路的基本结构电路的基本结构典型的差分放大电路如典型的差分放大电路如图图4-24-2所示，它由完全相同的两个完全对所示，它由完全相同的两个完全对称的共发射极放大电路组成，电源为双路对称电源，三极管的集电称的共发射极放大电路

8、组成，电源为双路对称电源，三极管的集电极经极经C C接接V VCCCC，发射极经电阻，发射极经电阻E E接接V VEEEE。电路中两管集电极负载电阻。电路中两管集电极负载电阻的阻值相等，两基极电阻阻值相等，输入信号的阻值相等，两基极电阻阻值相等，输入信号u ui1i1和和u ui2i2分别加在两管分别加在两管的基极上，输出电压的基极上，输出电压u u0 0从两管的集电极输出。这种连接方式称为双从两管的集电极输出。这种连接方式称为双端输入、双端输出方式。端输入、双端输出方式。4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回2.2.抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理（1 1）依靠电路的对称性

9、）依靠电路的对称性在图在图4-24-2所示电路中，当温度变化等原因引起两个管子的基极电所示电路中，当温度变化等原因引起两个管子的基极电流流I IB1B1、I IB2B2变化时，由于两边电路完全对称，势必引起两管子集电极变化时，由于两边电路完全对称，势必引起两管子集电极电流电流I IC1C1、I IC2C2的变化量相等，方向相同，即的变化量相等，方向相同，即I IC1C1=I IC2C2，集电极电位，集电极电位V VC1C1，V VC2C2的变化量也相同，即的变化量也相同，即V VC1C1V VC2C2。采用双端输出时，输出电压采用双端输出时，输出电压u u0 0u uo1o1u uo2o2，如

10、在输入信号为零时，如在输入信号为零时，假定温度上升，则有：假定温度上升，则有：4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页由此可知，虽然温度变化对每个管子都产生了零点漂移，但在由此可知，虽然温度变化对每个管子都产生了零点漂移，但在输出端两个管子的集电极电压的变化互相抵消了，所以抑制了输出输出端两个管子的集电极电压的变化互相抵消了，所以抑制了输出电压的零点漂移。电压的零点漂移。（2 2）依靠）依靠R RE E的负反馈作用的负反馈作用发射极电阻发射极电阻R RE E具有负反馈作用，可以稳定静态工作点，从而进具有负反馈作用，可以稳定静态工作点，从而进一步减小一步减小V VC1C1、V

11、VC2C2的绝对漂移量。的绝对漂移量。R RE E抑制输出电压的零点漂移的方法抑制输出电压的零点漂移的方法将在差分放大电路的静态分析和动态分析中讨论。将在差分放大电路的静态分析和动态分析中讨论。4.2.24.2.2差分放大电路的静态分析差分放大电路的静态分析当输入信号为零时，放大电路的直流通路如当输入信号为零时，放大电路的直流通路如图图4-34-3所示。所示。4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页在图在图4-34-3中，由电路对称性可得中，由电路对称性可得由基极回路可以得到由基极回路可以得到所以所以4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页其中其中是晶体管的

12、电流放大倍数。是晶体管的电流放大倍数。从上可知，静态时，每个管子的发射极电路中相当于接入了从上可知，静态时，每个管子的发射极电路中相当于接入了2R2RE E的电阻，这样每个晶体管的工作点稳定性都得到提高。的电阻，这样每个晶体管的工作点稳定性都得到提高。V VEEEE的作用是的作用是补偿补偿R RE E上的直流压降，使得晶体管有合适的工作点。上的直流压降，使得晶体管有合适的工作点。4.2.34.2.3差分放大电路的动态分析差分放大电路的动态分析1 1差模输入动态分析差模输入动态分析在放大器两输入端分别输入大小相等、相位相反的信号，即在放大器两输入端分别输入大小相等、相位相反的信号，即u ui1i

13、1u ui2i2时时,这种输入方式称为差模输入，所输入的信号称为差模输入这种输入方式称为差模输入，所输入的信号称为差模输入信号。差模输入信号用信号。差模输入信号用u uidid来表示。差模输入电路如来表示。差模输入电路如图图4-44-4所示。所示。4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页由图由图4-44-4可得可得或或 图图4-44-4电路中，在输入差模信号电路中，在输入差模信号u uidid时，由于电路的对称性，使得时，由于电路的对称性，使得V V1 1和和V V2 2两管的集电极电流为一增一减的状态，而且增减的幅度相同。两管的集电极电流为一增一减的状态，而且增减的幅度相同

14、。如果如果V V1 1的集电极电流增大，则的集电极电流增大，则V V2 2的集电极电流减小，即的集电极电流减小，即i iC1C1-i iC2C2。显。显然，此时然，此时R RE E上的电流没有变化，说明上的电流没有变化，说明R RE E对差模信号没有作用，在对差模信号没有作用，在R RE E上上既无差模信号的电流也无差模信号的电压，因此画差模信号交流通既无差模信号的电流也无差模信号的电压，因此画差模信号交流通路时，路时，V V1 1和和V V2 2的发射极是直接接地的，如的发射极是直接接地的，如图图4-54-5所示。所示。4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页由图由图4-5

15、4-5看出，在输入差模信号时，两管集电极的对地输出电压看出，在输入差模信号时，两管集电极的对地输出电压u uo1o1和和u uo2o2也是一升一降地变化，因而也是一升一降地变化，因而V V1 1管集电极输出电压管集电极输出电压u uo1o1与与V V2 2管集管集电极输出电压电极输出电压u uo2o2大小相等、极性相反，即大小相等、极性相反，即u uo2o2u uo1o1。两管集电极之。两管集电极之间输出差模输压为间输出差模输压为u uododu uo1o1u uo2o22 2u uo1o1双端输入双端输出差分放大电路的差模电压放大倍数为：双端输入双端输出差分放大电路的差模电压放大倍数为：上式

16、说明，双端输入双端输出差分放大电路的差模电压放大倍上式说明，双端输入双端输出差分放大电路的差模电压放大倍数与数与V V1 1管组成的单边共射极放大电路的电压放大倍数相等。管组成的单边共射极放大电路的电压放大倍数相等。4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页由图由图4-54-5不难得到不难得到若图若图4-54-5所示电路中，在两管集电极之间接入负载电阻所示电路中，在两管集电极之间接入负载电阻R RL L时，由时，由于于u uo2o2=u uo1o1，必有，必有R RL L的中心位置为差模电压输出的交流的中心位置为差模电压输出的交流“地地”，因此，因此，每边电路的交流等效负载电阻

17、每边电路的交流等效负载电阻R RL L=R=RC C/(R/(RL L/2)/2)。这时差模电压放大。这时差模电压放大倍数变为倍数变为差模信号输入时，从差分放大电路的两个输入端看进去所呈现差模信号输入时，从差分放大电路的两个输入端看进去所呈现的等效电阻，称为差分放大电路的差模输入电阻，由图的等效电阻，称为差分放大电路的差模输入电阻，由图4-54-5可得可得4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页差分放大电路两管集电极之间对差模信号所呈现的等效电阻，差分放大电路两管集电极之间对差模信号所呈现的等效电阻，称为差分放大电路的差模输出电阻，由图称为差分放大电路的差模输出电阻，由图4-

18、54-5可得可得r ro o=2=2R Ro1o1=2=2R Rc c2 2共模输入动态分析共模输入动态分析在放大器两输入端分别输入大小相等、相位相同的信号，即在放大器两输入端分别输入大小相等、相位相同的信号，即u ui1i1u ui2i2时时,这种输入方式称为共模输入，所输入的信号称为共模输入信这种输入方式称为共模输入，所输入的信号称为共模输入信号。共模输入信号用号。共模输入信号用u uicic来表示。共模输入电路如来表示。共模输入电路如图图4-64-6所示。由图所示。由图4-4-6 6可得可得4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页图图4-64-6所示电路在共模信号的作用

19、下，所示电路在共模信号的作用下，V V1 1管和管和V V2 2管相应电量的变管相应电量的变化完全相同，显然，共模输出电压化完全相同，显然，共模输出电压u uo o=u uo1o1u uo2o2=0=0，则共模电压放大倍，则共模电压放大倍数数发射极电阻发射极电阻R RE E对共模信号具有很强的抑制能力。当共模信号使对共模信号具有很强的抑制能力。当共模信号使得两个晶体管的集电极电流同时增大时，流过得两个晶体管的集电极电流同时增大时，流过R RE E的电流就会成倍的的电流就会成倍的增加，发射极电位升高，从而导致发射结的两端电压减小，抑制了增加，发射极电位升高，从而导致发射结的两端电压减小，抑制了集

20、电极电流的增加。集电极电流的增加。3 3共模抑制比共模抑制比为了定量地说明差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模为了定量地说明差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，引入共模抑制比信号的抑制能力，引入共模抑制比K KCMRCMR，4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页其定义为：差模放大倍数其定义为：差模放大倍数A Audud与共模放大倍数与共模放大倍数A Aucuc之比，即之比，即从理论上讲，差分放大电路的共模放大倍数从理论上讲，差分放大电路的共模放大倍数 ，所以，所以K KCMRCMR就为无穷大，实际电路中，不为无穷大。共模抑制比越大，表示放就为无穷大，

21、实际电路中，不为无穷大。共模抑制比越大，表示放大电路性能越好。大电路性能越好。4.2.44.2.4差分放大器的其它输入输出方式差分放大器的其它输入输出方式差分放大电路除了前面所述的双端输入双端输出方式外，还有差分放大电路除了前面所述的双端输入双端输出方式外，还有双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出，这些双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出，这些输入输出方式在实际中也经常使用。输入输出方式在实际中也经常使用。4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路下一页 返回上一页单端输出时，电压放大倍数只有双端输出时电压放大倍数的一单端输出时，电压放大倍数只有双端输出时电压放大

22、倍数的一半，其推导过程在此就不予介绍。半，其推导过程在此就不予介绍。4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路返回上一页集成运算放大器简称集成运放，是应用最广泛的集成放大器，集成运算放大器简称集成运放，是应用最广泛的集成放大器，最早用于模拟计算机，对输入信号进行模拟运算，并由此而得名。最早用于模拟计算机，对输入信号进行模拟运算，并由此而得名。集成运算放大器作为基本运算单元，可以完成加减、积分和微分、集成运算放大器作为基本运算单元，可以完成加减、积分和微分、乘除等数学运算。乘除等数学运算。4.3.1 4.3.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点集成运算放大器有以下特点：集成运算放大器有以下

23、特点：1.1.在集成电路工艺中难于制造电感元件。制造容量大于在集成电路工艺中难于制造电感元件。制造容量大于200pF200pF的的电容也比较困难，而且性能很不稳定，所以集成电路中要尽量避免电容也比较困难，而且性能很不稳定，所以集成电路中要尽量避免使用电容器。而运算放大器各级之间都采用直接隅合，基本上不采使用电容器。而运算放大器各级之间都采用直接隅合，基本上不采用电容元件，必须使用电容器的场合，也大多采用外接的办法。用电容元件，必须使用电容器的场合，也大多采用外接的办法。4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回2.2.运算放大器的输入级都采用差分放大电路，它要求两管的性运

24、算放大器的输入级都采用差分放大电路，它要求两管的性能相同。而集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同能相同。而集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，容易获得特性一致，因此，容易制成温度漂移很小的运一硅片上，容易获得特性一致，因此，容易制成温度漂移很小的运算放大器。算放大器。3.3.在集成电路中，比较合适的阻值大致为在集成电路中，比较合适的阻值大致为101030k30k。制作高。制作高阻值的电阻成本高，占用面积大，且阻值偏差大（阻值的电阻成本高，占用面积大，且阻值偏差大（10%10%20%20%）。因）。因此，在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。必须用直此，

25、在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。必须用直流高阻值电阻时，也常采用外接方式。流高阻值电阻时，也常采用外接方式。4.4.集成电路中的二极管一般都采用晶体管构成，把发射极、基集成电路中的二极管一般都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。极、集电极三者适当组配使用。4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页4.3.24.3.2集成运算放大器组成集成运算放大器组成集成运算放大器的种类非常多，内部电路也各不相同，但一般集成运算放大器的种类非常多，内部电路也各不相同，但一般由以下四部分组成，如由以下四部分组成，如图图4-74-7所示。所示。输入级：

26、通常由具有恒流源的双端输入、单端输出的差分放大输入级：通常由具有恒流源的双端输入、单端输出的差分放大电路构成，其目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。电路构成，其目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。输入级是提高集成运放质量的关键部分，输入级是提高集成运放质量的关键部分，中间级：主要用于电压放大，通常由带有源负载（即以恒流源中间级：主要用于电压放大，通常由带有源负载（即以恒流源代替集电极负载电阻）的共发射极放大电路构成。代替集电极负载电阻）的共发射极放大电路构成。输出级：一般是射极输出器或互补对称功放电路。输出级电路输出级：一般是射极输出器或互补对称功放电路。输出级电路输出

27、电阻低、带负载能力强，输出电阻低、带负载能力强，4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页能输出足够大的电压和电流。此外输出级还附有保护电路，以能输出足够大的电压和电流。此外输出级还附有保护电路，以防意外短路或过载时造成损坏。防意外短路或过载时造成损坏。偏置电路：偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定、合适偏置电路：偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，确定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。的偏置电流，确定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。图图4-84-8给出了一个简单集成运算放大器的电路原理图及符号。它给出了一个简单集成运算放

28、大器的电路原理图及符号。它有两个输入端，标有两个输入端，标“”的输入端称为同相输入端，输入信号由此的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“一一”的输入端称为的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。反。4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页4.3.34.3.3集成运放的主要参数集成运放的主要参数1.1.开环电压放大倍数开环电压放大倍数A Au uo o在集成运放没有外加反馈的情况下的差模电压放大倍

29、数，称为在集成运放没有外加反馈的情况下的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数，用分贝表示为开环电压放大倍数，用分贝表示为 ，后期生产的集成运放，后期生产的集成运放的开环电压放大倍数一般均大于的开环电压放大倍数一般均大于100100分贝。分贝。A Au0u0越高，则其构成的运算越高，则其构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。电路越稳定，运算精度也越高。2.2.最大输出电压最大输出电压U UOPPOPP能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运放的最大输出电压。例如：为运放的最大输出电压。例如：F007F007集成运放的最大输

30、出电压约为集成运放的最大输出电压约为V V。4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页3.3.输入失调电压输入失调电压U UIOIO理想运算放大器，当输入信号为零时输出也为零。而实际的运理想运算放大器，当输入信号为零时输出也为零。而实际的运算放大器电路，输入为零时输出并不为零。要使输出电压为零，必算放大器电路，输入为零时输出并不为零。要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，此补偿电压电压称为输入失调须在输入端加一个很小的补偿电压，此补偿电压电压称为输入失调电压。输入失调电压的大小反映集成电路在制造的对称程度。电压。输入失调电压的大小反映集成电路在制造的对

31、称程度。U UIOIO一一般为几毫伏，很明显，般为几毫伏，很明显，U UIOIO越小越好。越小越好。4.4.输入失调电流输入失调电流I IIOIO输入信号为零时，运放两个输入端静态基极电流之差，称为输输入信号为零时，运放两个输入端静态基极电流之差，称为输入失调电流。输入失调电流被用来表征差分输入管的输入电流不对入失调电流。输入失调电流被用来表征差分输入管的输入电流不对称造成的影响，一般为纳安级，其值愈小愈好。称造成的影响，一般为纳安级，其值愈小愈好。4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页5.5.输入偏置电流输入偏置电流I IIBIB输入信号为零时，运放两个输入端

32、静态基极电流的平均值，称输入信号为零时，运放两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。这与电路中第一级管子的性能有关，一般为纳安为输入偏置电流。这与电路中第一级管子的性能有关，一般为纳安级，其值愈小愈好。级，其值愈小愈好。4.3.4 4.3.4 集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性是指输出电压与输入电压的关系曲线，集成运放的电压传输特性是指输出电压与输入电压的关系曲线，如如图图4-94-9所示。所示。从图从图4-94-9的传输特性看，集成运放可工作在线性区，也可以工作的传输特性看，集成运放可工作在线性区，也可以工作在饱和区，但是分析方法是不相同的。当集成运

33、放工作在线性区时，在饱和区，但是分析方法是不相同的。当集成运放工作在线性区时，u uo o与与u ui i（u ui i=u u u u）是线性关系，）是线性关系，4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页即即集成运放是一个线性放大元件。集成运放是一个线性放大元件。由于集成运放的开环电压放大倍数由于集成运放的开环电压放大倍数A Auouo很大，即使输入很大，即使输入 是毫伏级，也足以使集成运放处于饱和状态；此外，由于集成运放是毫伏级，也足以使集成运放处于饱和状态；此外，由于集成运放工作时会受到各种干扰，电路将难于稳定工作。所以，集成运放工工作时会受到各种干扰，电路将

34、难于稳定工作。所以，集成运放工作在线性区时应引入深度负反馈。作在线性区时应引入深度负反馈。4.3.54.3.5集成运算放大器的理想模型集成运算放大器的理想模型在分析运放时，我们常把它看成一个理想运放，即将实际运放在分析运放时，我们常把它看成一个理想运放，即将实际运放的一些技术性能指标理想化，这在工程上是允许的，同时，在分析的一些技术性能指标理想化，这在工程上是允许的，同时，在分析时用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，时用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页但却使分析过程大大简化。理想运放具有以下主要参数：但却使

35、分析过程大大简化。理想运放具有以下主要参数：(1)(1)开环电压放大倍数开环电压放大倍数(2)(2)差模输入电阻差模输入电阻(3)(3)开环输出电阻开环输出电阻(4)(4)共模抑制比共模抑制比理想运放的电路符号和电压传输特性如理想运放的电路符号和电压传输特性如图图4-104-10所示。图中的所示。图中的“”表示开环电压放大倍数为无穷大的理想化条件。表示开环电压放大倍数为无穷大的理想化条件。理想运放工作在线性区时，可得到两个特点：理想运放工作在线性区时，可得到两个特点：4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页1.1.虚断：虚断：因理想运算放大器的输入电阻因理想运算放

36、大器的输入电阻 ，故有，故有 ，即，即理想运放两个输入端的输入电流为零。由于两个输入端并非开路而理想运放两个输入端的输入电流为零。由于两个输入端并非开路而电流为零，故称为电流为零，故称为“虚断虚断”。2.2.虚短：虚短：因为因为 ，理想运算放大器的开环电压放大倍数，理想运算放大器的开环电压放大倍数 ，而，而u uo o为一定值，最高等于其饱和电压。所以为一定值，最高等于其饱和电压。所以 ，即，即 。由于两个输入端电位相等，但又不是短路，故称为。由于两个输入端电位相等，但又不是短路，故称为“虚短虚短”。4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介下一页 返回上一页理想运放工作在饱和区（即

37、非线性）时，则理想运放工作在饱和区（即非线性）时，则 与与 不一定不一定相等，有：相等，有：当当 时，时，当当 时，时，4.3 4.3 集成运算放大器简介集成运算放大器简介返回上一页4.4.14.4.1比例运算电路比例运算电路1 1反相比例运算电路反相比例运算电路运算电路是集成运放的典型线性应用。反相比例运算电路如运算电路是集成运放的典型线性应用。反相比例运算电路如图图4-114-11所示，输入信号所示，输入信号u ui i经输入电阻经输入电阻R R1 1从反相输入端输入，同相输入端从反相输入端输入，同相输入端经电阻经电阻R R2 2接地，反馈电阻接地，反馈电阻R Rf f跨接在反相输入端与输

38、出端之间，形成电跨接在反相输入端与输出端之间，形成电压并联负反馈。压并联负反馈。根据运放工作在线性区存在虚短和虚断，由根据运放工作在线性区存在虚短和虚断，由u uu u，i ii i0 0，故电阻，故电阻R R2 2上无电压降，于是得：上无电压降，于是得：4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回由图由图4-114-11得：得：由此可得：由此可得：闭环电压放大倍数为：闭环电压放大倍数为：上式表明输出电压上式表明输出电压u u0 0与输入电压与输入电压u ui i是一种比例运算关系，或者说是一种比例运算关系，或者说是比例放大的关系，比例系数只取决于电阻是比例放大的关系，

39、比例系数只取决于电阻R Rf f与与R R1 1的比值，而与集成的比值，而与集成运放本身的参数无关。选用不同的电阻比值，就可得到数值不同的运放本身的参数无关。选用不同的电阻比值，就可得到数值不同的闭环电压放大倍数。闭环电压放大倍数。4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页由于电阻的精度和稳定性可以做得很高，所以闭环电压放大倍由于电阻的精度和稳定性可以做得很高，所以闭环电压放大倍数的精度和稳定性也是很高的。式中的负号表示输出电压数的精度和稳定性也是很高的。式中的负号表示输出电压u u0 0与输入与输入电压电压u ui i的相位相反，因此这种运算电路称为反相比例放

40、大电路。的相位相反，因此这种运算电路称为反相比例放大电路。图图4-114-11中同相输入端的外接电阻中同相输入端的外接电阻R R2 2称为平衡电阻，其作用是消称为平衡电阻，其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响，以保证运算放大器差分输入级除静态基极电流对输出电压的影响，以保证运算放大器差分输入级输入端静态电路的平衡。运算放大器工作时，两个输入端静态基极输入端静态电路的平衡。运算放大器工作时，两个输入端静态基极偏置电流会在各电阻上产生电压，从而影响差分输入级输入端的电偏置电流会在各电阻上产生电压，从而影响差分输入级输入端的电位，使得运算放大器的输出端产生附加的偏移电压。亦即当外加输位，使得运算

41、放大器的输出端产生附加的偏移电压。亦即当外加输入电压入电压u ui i=0=0时，输出电压时，输出电压u uo o将不为零。平衡电阻将不为零。平衡电阻R R2 2的作用就是当输入的作用就是当输入电压电压u ui i=0=0时，使输出电压时，使输出电压u u0 0也为零。因为当输入电压也为零。因为当输入电压u ui i=0=0时，时，4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页输出电压输出电压u u0 0=0=0，所以电阻，所以电阻R R1 1和和R Rf f相当于并联，反相输入端与地之相当于并联，反相输入端与地之间的等效电阻为，因而平衡电阻间的等效电阻为，因而平衡

42、电阻R R2 2应为：应为：在如图在如图4-114-11所示的电路中，当所示的电路中，当R Rf fR R1 1时，则有：时，则有：即输出电压即输出电压u uo o与输入电压与输入电压u ui i的绝对值相等，而两者的相位相反，的绝对值相等，而两者的相位相反，这时电路相当于作了一次变号运算。这种运算放大电路称为反相器。这时电路相当于作了一次变号运算。这种运算放大电路称为反相器。4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页2 2同相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路如同相比例运算电路如图图4-124-12所示，输入信号所示，输入信号u ui i经电阻经电阻

43、R R2 2从同相从同相输入端输入，反相输入端经电阻输入端输入，反相输入端经电阻R Rl l接地，反馈电阻接地，反馈电阻R Rf f跨接在反相输跨接在反相输入端与输出端之间，形成电压串联负反馈。入端与输出端之间，形成电压串联负反馈。根据运放工作在线性区的虚短和虚断，即根据运放工作在线性区的虚短和虚断，即u u-=u u+，i i-=i i+=0=0可知，可知，因因i i=0=0，故电阻，故电阻R R2 2上无电压降，于是得：上无电压降，于是得：由图由图-12-12可得：可得：4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页由此可得：由此可得：闭环电压放大倍数为：闭环电

44、压放大倍数为：上式表明输出电压上式表明输出电压u uo o与输入电压与输入电压u ui i也是一种比例运算关系或者说也是一种比例运算关系或者说是比例放大关系。与反相比例放大电路一样，当运算放大器在理想是比例放大关系。与反相比例放大电路一样，当运算放大器在理想化的条件下工作时，同相比例放大电路的闭环电压放大倍数也仅与化的条件下工作时，同相比例放大电路的闭环电压放大倍数也仅与外部电阻外部电阻R R和和R Rf f的比值有关，而与运算放大器本身的参数无关。选的比值有关，而与运算放大器本身的参数无关。选用不同的电阻比值，就能得到不同大小的电压放大倍数，因此电压用不同的电阻比值，就能得到不同大小的电压放

45、大倍数，因此电压放大倍数的精度和稳定性都很高。放大倍数的精度和稳定性都很高。4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页电压放大倍数为正值，表明输出电压电压放大倍数为正值，表明输出电压u uo o与输入电压与输入电压u ui i的相位相同，的相位相同，因此这种运算电路称为同相比例放大电路。同时，同相比例放大电因此这种运算电路称为同相比例放大电路。同时，同相比例放大电路的闭环电压放大倍数总是大于或等于路的闭环电压放大倍数总是大于或等于1 1。同反相比例运算电路一样，为了提高差分电路的对称性，平衡同反相比例运算电路一样，为了提高差分电路的对称性，平衡电阻电阻R R2

46、2=R=R1 1/R/Rf f。在图。在图4-124-12所示的同相比例运算电路中，如果将反相所示的同相比例运算电路中，如果将反相输入端的外接电阻输入端的外接电阻R R去掉（即去掉（即R R1 1），），R R2 2短接，再将反馈电阻短接，再将反馈电阻R Rf f短短接（即），如接（即），如图图4-134-13所示，则有：所示，则有：4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页由于输出电压由于输出电压u u0 0与输入电压与输入电压u ui i大小相等，相位相同，所以，这种大小相等，相位相同，所以，这种电路称为电压跟随器。它与第电路称为电压跟随器。它与第2 2章讨

47、论的射极输出器的性能相似，是章讨论的射极输出器的性能相似，是同相比例放大器的一个特例，通常用作缓冲器。同相比例放大器的一个特例，通常用作缓冲器。4.4.24.4.2加法和减法运算电路加法和减法运算电路1 1加法运算电路加法运算电路如如图图4-164-16所示是实现两个信号相加的反相加法运算电路，它是所示是实现两个信号相加的反相加法运算电路，它是在图在图4-124-12所示反相比例运算电路的基础上增加了一个输入回路，以所示反相比例运算电路的基础上增加了一个输入回路，以便对两个输入电压实现代数相加。便对两个输入电压实现代数相加。在图在图4-164-16电路中，先将输入电压转换成电流，然后在反相输入

48、电路中，先将输入电压转换成电流，然后在反相输入端相加。由于反相输入端为虚地，所以：端相加。由于反相输入端为虚地，所以：4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页因为：因为：由此可得：由此可得：若若 ，则：，则：4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页若若 ，则，则 ：可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相加法运算关系。可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相加法运算关系。这一运算关系可推广到有更多个信号输入的情况。平衡电阻这一运算关系可推广到有更多个信号输入的情况。平衡电阻R R3 3=R=R1 1RR2 2RRf f 。2.

49、2.减法运算电路减法运算电路减法运算电路如减法运算电路如图图4-174-17所示，由叠加定理可以得到输出与输入所示，由叠加定理可以得到输出与输入的关系。的关系。4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页u ui1i1单独作用时成为如图单独作用时成为如图4-114-11所示的反相输入比例运算电路，其所示的反相输入比例运算电路，其输出电压为：输出电压为：u ui2i2单独作用时成为如图单独作用时成为如图4-154-15所示的同相输入比例运算电路，其所示的同相输入比例运算电路，其输出电压为：输出电压为：根据叠加定理，根据叠加定理，u ui1i1和和u ui2i2共同作

50、用时，输出电压为：共同作用时，输出电压为：4.4 4.4 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用下一页 返回上一页若若 ，则：，则：由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差分输入运算电路或差分放大电路。运算。该电路又称为差分输入运算电路或差分放大电路。4.4.34.4.3积分和微分运算电路积分和微分运算电路1.1.积分运算电路积分运算电路将反相比例运算电路的反馈电阻将反相比例运算电路的反馈电阻R Rf f用电容用电容C C替换，则成为积分运替换，则成为积分运算电路，如算电路，如图图4-224-22所示。所